风暴和云：揭示地球亮度对称性的秘密

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翻译：杨欣冉

校译：盛衍均

排版：王璞

后台：李子琦

原文链接：https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/look-bright-side-earth

为什么从太空看地球的两个半球看起来亮度相同？魏茨曼大学的科学家提供了解决这个50年谜团的方案。

从太空看地球时，其北半球和南半球看起来亮度相等。这特别令人意外，因为南半球大部分被黑暗的海洋覆盖，而北半球则有广阔的陆地面积，比这些海洋要明亮得多。多年来，半球之间的亮度对称性一直是一个谜团。一项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的新研究表明，魏茨曼科学研究所的研究人员和他们的合作者揭示了每个半球中风暴强度、云量和太阳能反射率之间的强相关关系。他们提出了解决这个谜团的方案，并评估了未来气候变化将如何改变地球的反射率。

早在20世纪70年代，当科学家分析第一批气象卫星的数据时，他们惊讶地发现地球的两个半球反射的太阳辐射能量相同。太阳辐射的反射率在科学术语中称为“反照率”。为了更好地理解什么是反照率，可以想象在夜间驾车：我们很容易看到那些路面上的白色标志线，但却很难看清黑色的柏油路面。从太空观察地球也是如此：每个区域接收到的太阳能量与反射的能量的比率由各种因素决定。其中之一是深色海洋与明亮陆地的比例，它们的反射率不同，就像柏油路面和路上标志线一样。北半球的陆地面积约为南半球的两倍，在地表附近、天空晴朗时，反照率存在10%以上的差异。然而，从太空看，两个半球看起来仍然一样亮。

从左到右：魏茨曼大学地球与行星科学系的Yohai Kaspi教授和Or Hadas

在这项研究中，由魏茨曼大学地球与行星科学系的Yohai Kaspi教授和Or Hadas带领的研究团队，聚焦于影响反照率的另一个因素——高海拔反射太阳辐射的云。该团队分析了世界上最先进的数据库所得到的数据，包括NASA卫星（CERES）收集的云数据，以及ERA5数据库的数据，该数据库是一个全球天气数据库，包含从1950年开始使用各种来源在空中和地面收集的信息。使用ERA5数据来补全云数据，并将50年的这些数据与气旋和反气旋的强度信息进行交叉相关。

“尽管北半球有着更多的大陆地区，南半球上空强烈的风暴所产生的云将南半球的反照率提升到了与北半球同一等级。”

接下来，科学家将过去50年的风暴按照强度分为三类。他们发现风暴强度与风暴周围形成的云的数量之间存在直接关联。尽管北半球和陆地区域的特征是较弱的风暴，但在南半球的海洋上方，中等和强风暴却占据着主导地位。数据分析表明，风暴强度和云量之间的关系解释了两个半球云量差异的原因。Hadas表示：“尽管北半球有着更多的大陆地区，南半球上空强烈的风暴所产生的云将南半球的反照率提升到了与北半球同一等级，从而保持了地球反照率的对称性。”他还补充说：“这表明风暴是联系着地球表面亮度和云亮度的因素，从而帮助我们回答了对称之谜。”

在这张标志性的地球图像《蓝色大理石》中，南半球和北半球看起来同样明亮。这张照片是阿波罗17号宇宙飞船在1972年12月7日拍摄的。图源：NASA

气候变化会使其中一个半球变暗吗？

近年来，地球由于气候变化正在发生快速变化。为了查验这是否会影响半球反照率对称性以及是如何影响，科学家使用了CMIP6模型，这是一组由世界各地的气候模拟中心运行的模型，它可以被用来模拟气候变化。尽管该模型预测云量的能力有限，本研究发现的风暴强度和云量之间的关系仍然使得科学家们能够根据风暴预测评估未来的云量。

模型预测，全球变暖将导致北半球所有风暴的频率下降，并导致南半球上空的弱风暴和中等风暴的频率下降。然而，南半球最强的风暴将会加强。这些预测到的差异原因是“北极放大效应”，即北极的升温速度是地球平均升温速度的两倍。人们可能会推测这种差异会破坏半球反照率的对称性。然而，研究表明，风暴强度的进一步增加可能不会改变南半球的云量，因为在非常强的风暴中，云量已经饱和。因此，对称性可能依旧存在。

全球云量分布图，基于Aqua研究卫星在2002年至2015年期间收集的数据。云不是均匀分布的，而是集中在热点区域。照片来源：NASA。

Kaspi教授说：“目前还无法确定在全球变暖的情况下，对称性是否被打破。然而，这项新研究解决了一个基本的科学问题，加深了我们对地球辐射平衡及其影响因素的理解。随着全球变暖的持续，地球工程解决方案将变得对人类生存至关重要。我们希望更好地理解基本气候现象，如半球反照率对称性，将有助于开发这些解决方案。”

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

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